Types de condensateurs et performances

Les condensateurs sont des composants passifs qui stockent la charge électrique. Cette fonction unique peut cependant être utilisée de nombreuses façons dans une grande variété d'applications, AC et DC, analogiques et numériques. Par exemple, les circuits de synchronisation et de mise en forme du signal, le couplage et le découplage, les filtres de forme d'onde et le lissage, le réglage TV et radio, les oscillateurs et, avec les supercondensateurs, le stockage de charge pour les dispositifs tels que les ampoules de flash des caméras. Cette diversité, associée à une mise à l'échelle pour s'adapter aux différents niveaux de puissance, de courant et de tension, fait que les condensateurs se présentent sous de nombreuses formes, tailles et techniques de construction.

Cet article examine les condensateurs et la signification de la capacité électrique. Il examine ensuite les propriétés, en plus de la capacité, qui définissent les performances des composants et leur impact sur les circuits cibles. Ensuite, il montre comment ces propriétés sont manifestées de façon variée par les différents types de condensateurs actuellement disponibles, et comment elles influencent les choix du concepteur quant au type de condensateur.

Parfois, cependant, le premier choix apparent pour un projet peut ne pas être la meilleure voie à suivre ; il peut être souhaitable de remplacer une technologie de condensateur par une autre pour une raison quelconque. En conséquence, l'article se termine par un bref exemple de la façon dont les condensateurs polymères peuvent remplacer les types en céramique multicouches.

Qu'est-ce qu'un condensateur ?

Comme le montre la figure 1, un condensateur comprend deux plaques conductrices à proximité l'une de l'autre, séparées par un isolant ou un diélectrique. Appliquez un courant continu à travers les plaques, et elles accumuleront des charges égales et opposées ; négatives sur une plaque, et positives sur l'autre. Retirez la source d'alimentation et les plaques garderont leur charge, sauf en cas de fuite. Ensuite, si les plaques sont connectées sur une charge telle qu'une ampoule de flash d'appareil photo, elles libéreront toute leur énergie pour alimenter le flash.

Symboles de condensateur

Fig.1 Symboles des condensateurs, droits d'auteur de l'image à Premier Farnell

Notez que la conception d'un condensateur signifie qu'il bloque le courant continu, mais qu'il conduit le courant alternatif. En général, plus la fréquence de la tension alternative est élevée, plus le condensateur conduit le courant alternatif.

La quantité d'énergie qu'un condensateur peut stocker est définie par sa capacité, mesurée en farads. Comme un farad est une unité de capacité grande et peu pratique (sauf pour les supercondensateurs), les composants réels sont classés dans l'une des plages SI suivantes, selon le cas :

  • 1 mF (millifarad, un millième (10-3) d'un farad)
  • 1 μF (microfarad, un millionième (10-6) d'un farad)
  • 1 nF (nanofarad, un milliardième (10-9) d'un farad)
  • 1 pF (picofarad, un billionième (10-12) d'un farad)

Dans tous les cas, la capacité C en farads est donnée par l'équation :

Où q est la charge en coulombs (+q et -q les charges sur les plaques) et V est la tension en volts sur les plaques.

Cela donne une relation tension/courant de

Où i = courant en ampères.

L'énergie stockée dans un condensateur se trouve en intégrant le travail W (watts)

W = 1/2 CV^2

La première des équations ci-dessus nous dit que l'augmentation de la capacité permet de stocker plus de charge pour une tension donnée à travers le condensateur. La capacité peut être augmentée en augmentant la taille des plaques, en rapprochant les plaques ou en améliorant les propriétés d'isolement du diélectrique. Les condensateurs de tous types atteignent leurs valeurs de capacité cibles en ajustant ces trois variables en conséquence. Par conséquent, si une valeur de capacité requise peut être obtenue avec différents types de condensateurs, comment décider quel type est le plus adapté à une application donnée ?

La réponse est qu'un condensateur idéal n'aurait qu'un paramètre de capacité, alors qu'en réalité, les condensateurs ont aussi de nombreux autres paramètres et caractéristiques qui affectent leur performance et leur aptitude à l'application cible. Ces facteurs dépendent de la technologie de condensateurs utilisée et doivent tous être pris en compte dans le choix d'une solution optimale.

Les critères comprennent la tension de fonctionnement, la taille du dispositif, la réponse en fréquence, le vieillissement (dessèchement de l'électrolyte humide) causant une perte de capacité, la température de fonctionnement maximale recommandée, l'inflammabilité et les propriétés autorégénératrices. Parfois, une résistance parasite extrêmement faible (appelée résistance série équivalente, ou ESR) est nécessaire pour minimiser les pertes I2R dans les applications à courant élevé.

Ensuite, nous examinons de plus près ces propriétés ainsi que d'autres propriétés des condensateurs, puis la façon dont elles se manifestent dans les différents types de condensateurs.

Propriétés du condensateur

La publication de KEMET « Introduction aux technologies de condensateur » contient beaucoup d'informations utiles, et a fourni le contexte pour la discussion des propriétés des condensateurs données ci-dessous.

Caractéristiques diélectriques et condensateur CV

Les propriétés diélectriques influencent le rendement volumétrique des condensateurs, c'est-à-dire la quantité de capacité par volume donné. Elle est exprimée en valeur CV, où C = capacité et V = tension. Les valeurs CV sont des considérations importantes lors de la conception de systèmes portables ou de circuits imprimés chargés en composants où une capacité élevée dans un volume minimal est essentielle.

Certains diélectriques, comme le tantale, sont connus pour leurs propriétés CV élevées. La valeur CV peut également être augmentée en maximisant la surface utile de l'électrode et en minimisant les pertes de l'emballage.

Questions de capacité pratique

La capacité utilisable d'un condensateur peut différer de sa valeur nominale en raison de plusieurs facteurs. Notamment :

  • Température
  • Humidité
  • Tension AC/DC
  • Fréquence du signal
  • Âge du condensateur
  • Caractéristiques mécaniques
  • Effet piézoélectrique

Lors du choix d'un condensateur pour une application, il faut tenir compte de ses caractéristiques nominales pour ces facteurs.

Les tolérances sont une autre considération importante. Les condensateurs sont codés par tolérance, les codes les plus courants étant :

  • ± 20 % = M
  • ± 10 % = K
  • ± 5 % = J
  • ± 2,5 % = H
  • ± 2 % = G
  • ± 1 % = F

Courant de fuite et résistance d'isolement

Les matériaux diélectriques des condensateurs ne sont pas des isolants idéaux ; ils peuvent laisser passer un faible courant continu de fuite pour diverses raisons spécifiques à chaque type de diélectrique. La tension aux bornes d'un condensateur chargé chutera lentement à mesure que le courant de fuite évacuera sa charge.

En général, la résistance d'isolement tend à diminuer à mesure que les valeurs de capacité augmentent. Le courant de fuite augmente avec la hausse de la température.

La relation entre le courant de fuite (LC) et la résistance d'isolement (IR) du diélectrique du condensateur est donnée par la formule simple :

I(LC) = V/R(IR)

Comportement de charge/décharge

Lorsqu'une tension continue est appliquée à un condensateur en série avec une résistance, le condensateur se charge à une vitesse déterminée par la tension appliquée, l'état de charge par rapport à sa valeur finale, la résistance série ainsi que sa propre capacité. Le produit résistance-capacité, RC, est connu comme la constante de temps du circuit. Pour être précis, la constante de temps RC est le temps nécessaire pour charger le condensateur à 63,2 % de la différence entre les valeurs initiale et finale. La même valeur RC régit également le temps nécessaire pour décharger le condensateur à travers la résistance série.

Rigidité diélectrique

Si la tension à travers un condensateur est trop élevée, le champ électrique finira par provoquer la rupture du diélectrique et par conduire le courant. Avec certains diélectriques, l'effet est permanent, donc le condensateur est détruit.

Certains diélectriques, cependant, peuvent se réparer seuls. Par exemple, les condensateurs à film et à papier avec des électrodes très minces peuvent se réparer seuls lorsque l'important courant de claquage réchauffe les couches d'électrodes, ce qui provoque l'évaporation et l'oxydation des métaux loin de la zone affectée, isolant ainsi le chemin du court-circuit du reste du condensateur. Ce processus peut se produire même dans des applications à très haute puissance pouvant atteindre plusieurs kilowatts.

Dissipation de l'énergie

Lorsqu'une tension alternative est appliquée dans un condensateur, le courant circule à travers son matériau diélectrique et ses parties conductrices. En pratique, une partie de ce courant est dissipée dans la faible résistance du condensateur. Cette dissipation se manifeste par une augmentation de la température du condensateur. La résistance globale du condensateur, appelée résistance série équivalente (ESR), est la somme de deux éléments :

  • Résistance du matériau diélectrique
  • Résistance des pièces conductrices

Inductance

Les électrodes et les fils de raccordement ou les terminaisons d'un condensateur sont des conducteurs métalliques, auxquels est associée une certaine inductance. Cette inductance a tendance à résister aux variations du courant alternatif à travers le condensateur. Elle est connue sous le nom d'inductance série équivalente ou ESL.

Description du circuit équivalent du condensateur

Les parties conductrices d'un condensateur ont une résistance ohmique associée qui se combine avec la résistance diélectrique pour former une résistance série équivalente (ESR). Un condensateur pratique peut être décrit en utilisant un circuit dit équivalent comme dans la Fig.2, où une résistance (ESR) et une inductance (ESL) sont en série avec une capacité pure en parallèle d'une résistance égale à la résistance d'isolation du diélectrique.

Circuit équivalent d'un condensateur à inductance et résistance parasites

Fig.2 : circuit équivalent d'un condensateur à inductance et résistance parasites, image via KEMET

Différents types de condensateurs

La Fig.3 résume les différents types de condensateurs actuellement disponibles. Nous passons en revue les types de condensateurs fixes ci-dessous.

Hiérarchie des types de condensateurs

Fig.3 : hiérarchie des types de condensateurs, image via Würth Elektronik

Capacitorguide.com fournit des explications détaillées sur les différents types de condensateurs et leur construction ; les informations sur les types de condensateurs ci-dessous (à l'exception de verre et à traversée) sont basées sur ce contenu.

Film

Les condensateurs à film utilisent un film plastique mince comme diélectrique ; celui-ci peut être métallisé ou non traité, selon les propriétés requises du condensateur. Ces types offrent stabilité, faible inductance et faible coût. Différentes versions de films sont disponibles : polyester, métallisé, polypropylène, PTFE et polystyrène. Les capacités vont de moins de 1 nF à 30 µF.

Ces types de condensateurs sont non polarisés, ce qui les rend appropriés pour les applications de signaux et de puissance en courant alternatif. Les condensateurs à film peuvent avoir des valeurs de condensateurs de très haute précision, qu'ils conservent plus longtemps que les autres types de condensateurs. Ils sont très fiables et ont une longue durée de vie, avec un processus de vieillissement généralement plus lent que d'autres types tels que l'électrolytique. Ils ont de faibles valeurs ESR et ESL, donc de très faibles facteurs de dissipation. Ils peuvent être conçus pour résister à des tensions de l'ordre du kilovolt et fournir des impulsions de courant de surcharge très élevées.

Il existe des condensateurs à film de puissance qui peuvent résister à une puissance réactive supérieure à 200 volts-ampères. Ils sont utilisés dans les appareils électroniques de puissance, les déphaseurs, les flashs de rayons X et les lasers pulsés. Les variantes de faible puissance sont utilisées comme condensateurs de découplage, filtres et convertisseurs A/N. D'autres applications notables sont les condensateurs de sécurité, la suppression des interférences électromagnétiques, les ballasts d'éclairage fluorescents et les condensateurs d'amortissement.

Condensateurs à film polyester

Fig.4 : condensateurs à film polyester, image via Wikimedia Commons

Céramique

Les condensateurs céramique utilisent un matériau céramique comme diélectrique. Le condensateur à puces multicouches (MLCC) et le condensateur à disque céramique sont les types les plus couramment utilisés dans l'électronique moderne. Les MLCC sont fabriqués selon la technologie de montage en surface (SMT) et sont largement utilisés en raison de leur petite taille. Les valeurs de capacité se situent généralement entre 1 nF et 1 µF, bien que des valeurs allant jusqu'à 100 µF soient disponibles. Ils ne sont pas polarisés et peuvent donc être utilisés dans des circuits AC. Ils ont une grande réponse en fréquence due à de faibles effets parasitaires résistifs et inductifs.

Il existe aujourd'hui deux classes de condensateurs céramique : la classe 1 et la classe 2. Les condensateurs céramique de classe 1 sont utilisés lorsqu'une grande stabilité et de faibles pertes sont requises. Ils sont très précis et la valeur de la capacité est stable en ce qui concerne la tension, la température et la fréquence appliquées.

Les condensateurs de classe 2 ont une capacité élevée par volume et sont utilisés pour des applications moins sensibles. Leur stabilité thermique est typiquement de ± 15 % dans la plage de température de fonctionnement et les tolérances des valeurs nominales sont d'environ 20 %.

Les MLCC offrent des compacités élevées pour le montage des circuits imprimés, bien qu'il existe également des composants céramique plus gros qui peuvent résister à des tensions de 2 kV à 100 kV, avec une puissance nominale supérieure à 200 VA.

Condensateur céramique

Fig.5 : condensateur céramique, image via Wikipedia

Électrolytique

Les condensateurs électrolytiques utilisent un électrolyte pour fournir une plus grande valeur de capacité que les autres types de condensateurs. Presque tous les condensateurs électrolytiques sont polarisés, ils doivent donc être utilisés dans des circuits DC et correctement polarisés. Les condensateurs électrolytiques peuvent être soit des électrolytes humides, soit des polymères solides. Ils sont généralement fabriqués en tantale ou en aluminium. Les condensateurs en aluminium ont généralement des capacités comprises entre 1 µF et 47 mF, avec une tension de fonctionnement allant jusqu'à quelques centaines de volts DC. Cependant, les supercondensateurs, parfois appelés condensateurs à double couche, sont également disponibles avec des capacités de centaines ou de milliers de farads.

Les inconvénients comprennent des courants de fuite importants, de grandes valeurs de tolérance généralement de 20 %, une résistance de série équivalente et une durée de vie limitée. Les valeurs de capacité dérivent également au fil du temps. Les condensateurs peuvent surchauffer ou même exploser s'ils sont soumis à des tensions de polarité inverse.

Les condensateurs électrolytiques sont utilisés dans des applications qui ne nécessitent pas de tolérances restreintes et de polarisation AC, mais qui nécessitent des valeurs de capacité élevées. Il peut s'agir, par exemple, d'étages de filtrage dans les alimentations pour éliminer l'ondulation AC, ou d'un filtre passe-bas pour les signaux DC ayant une faible composante AC pour le lissage d'entrée et de sortie.

Condensateur électrolytique

Fig.6 : condensateur électrolytique, image via flickr

Supercondensateurs

Les supercondensateurs sont un type de condensateurs électrolytiques, comme décrit ci-dessus. Ils peuvent stocker de très grandes quantités d'énergie électrique en utilisant deux mécanismes : la capacité double couche et la pseudo-capacité. Le premier est électrostatique, tandis que le second est électrochimique, de sorte que les supercondensateurs combinent les caractéristiques des condensateurs normaux avec celles des batteries ordinaires.

En fait, ils sont utilisés comme alternatives aux batteries dans de nombreuses applications, y compris les systèmes de récupération d'énergie cinétique automobile (KERS), les flashs photographiques et les mémoires RAM statiques. Les possibilités d'avenir comprennent les téléphones portables, les ordinateurs portables et les voitures électriques ; leur plus grand avantage est leur taux de recharge très rapide, qui permet de recharger une voiture électrique en quelques minutes.

Cette technologie permet d'atteindre des valeurs de capacité jusqu'à 12000 F. Ils ont des temps de charge et de décharge très rapides, comparables à ceux des condensateurs ordinaires, en raison de leur faible résistance interne. En revanche, les batteries peuvent prendre jusqu'à plusieurs heures avant d'être complètement chargées. Les supercondensateurs ont également des puissances spécifiques 5 à 10 fois supérieures à celles des batteries, par exemple 10 kW/kg contre 1 à 3 kW/kg pour les batteries Li-ion. Les supercondensateurs ne chauffent pas autant que les batteries lorsqu'ils sont maltraités et ont une durée de vie pratiquement illimitée, contrairement aux batteries qui disposent généralement d'environ 500 cycles.

Les inconvénients des supercondensateurs comprennent une faible énergie spécifique (Wh/kg), une tension de décharge linéaire (un supercondensateur conçu pour une sortie de 2,7 V tomberait à 1,35 V à une décharge de 50 %, par exemple) et des coûts élevés. Cela a empêché jusqu'à présent le remplacement des batteries par des supercondensateurs dans la plupart des applications.

Technologies de supercondensateur

Fig.7 : technologies de supercondensateur, image via Wikimedia Commons

Mica

Les condensateurs mica aujourd'hui sont des condensateurs mica argenté, fabriqués en interposant des feuilles de mica recouvertes de métal sur les deux faces. Les valeurs de capacité sont faibles, généralement de quelques pF à quelques nF, bien que les plus grands types mica puissent atteindre 1 µF. Les tensions nominales sont généralement de 100 à 1000 volts, bien que certains condensateurs puissent atteindre 10 kV pour les applications d'émetteurs RF. Ils sont également utilisés dans d'autres applications haute tension, en raison de leur tension de claquage élevée.

Ils sont à faible perte, permettant une utilisation à haute fréquence, sont fiables, et leur valeur reste stable dans le temps. Les condensateurs sont également stables sur de larges plages de tension, de température et de fréquence. Ils ont généralement une valeur capacitive relativement faible. Ils sont précis, avec de faibles tolérances de +/- 1 %. Cependant, les condensateurs sont encombrants et coûteux.

Condensateurs mica argenté

Fig.7 : condensateurs mica argenté, image via Wikimedia Commons

Verre

Les condensateurs en verre sont utilisés dans les circuits RF où la performance ultime est requise. Ils offrent un faible coefficient de température sans hystérésis, un taux de vieillissement nul, aucun bruit piézoélectrique et des pertes extrêmement faibles. Ils ont également une grande capacité de courant RF, avec des températures de fonctionnement élevées, atteignant souvent 200 °C.

Traversée

AVX propose une gamme de condensateurs à traversée, disponibles en taille standard 0805 et 1206. Ces condensateurs sont des choix idéaux pour la suppression des interférences électromagnétiques, le filtrage des E/S à large bande ou le conditionnement des lignes électriques V DC. La construction unique d'un condensateur à traversée fournit une faible inductance parallèle et offre une excellente capacité de découplage pour tous les environnements à haute di/dt et permet une réduction significative du bruit dans les circuits numériques jusqu'à 5 GHz. AVX propose des condensateurs à traversée de qualité automobile conformes à la norme AEC-Q200. Ces condensateurs sont disponibles en diélectriques NP0 et X7R avec des options de terminaisons incluant Ni et Sn plaqués.

Interchangeabilité des types de condensateurs

Bien que les différents types de condensateurs soient optimisés pour différentes applications, il peut être possible ou souhaitable de remplacer un type par un autre. Par exemple, Panasonic a rédigé un livre blanc détaillé montrant comment les condensateurs polymères peuvent remplacer les MLCC dans diverses applications. L'information contenue dans ce livre blanc est présentée ci-dessous.

Les développements modernes dans le domaine des circuits intégrés et les attentes relatives en matière de performance ont imposé des exigences plus rigoureuses à leurs composants connexes, y compris les condensateurs. Cette tendance est évidente, par exemple, dans les conceptions de convertisseurs DC-DC. Ces développements conduisent à une plus grande efficacité énergétique, à une augmentation des courants de charge, à une miniaturisation et à des fréquences de commutation plus élevées. De telles tendances exigent que les condensateurs soient capables de supporter des charges de courant plus élevées avec un volume plus petit. Il est toujours plus nécessaire de trouver un équilibre entre les hautes performances et la densité de puissance, d'une part, et l'endurance à long terme, la haute fiabilité et la sécurité, d'autre part.

Les condensateurs de sortie sont essentiels aux convertisseurs DC-DC car, avec l'inductance principale, ils fournissent un réservoir d'énergie électrique pour la sortie et lissent la tension de sortie. Les condensateurs d'entrée doivent être performants en termes de dissipation de puissance et d'ondulation. Ils doivent maintenir la tension et s'assurer que la tension du circuit reste stable par rapport à l'onduleur.

Différents types de condensateurs peuvent être utilisés pour ces rôles d'entrée et de sortie des convertisseurs DC-DC. La Fig.8 montre quelques options, y compris les condensateurs électrolytiques, les condensateurs OSCON, SP-Caps, POS-Caps, les condensateurs à film et les condensateurs multicouches en céramique (MLCC), et classe leur performance en fonction de chaque caractéristique. Bien que le meilleur choix dépende de l'application, nous pouvons comparer les caractéristiques relatives de chaque type.

Types et caractéristiques de condensateur

Fig.8 : types et caractéristiques de condensateur, image via Panasonic

Bien que les condensateurs électrolytiques fournissent la plus grande ESR, leur capacité et leur performance en courant de fuite se dégradent de façon significative à des températures et des fréquences plus élevées. Les condensateurs céramique à très faible ESR et ESL offrent d'excellentes performances transitoires, mais ils ont des limites sur le déclassement de capacité. Ils peuvent également fonctionner à des courants d'ondulation très élevés, mais ils sont sujets à des défaillances dues au vieillissement et nécessitent des champs électriques de fonctionnement plus faibles.

Les condensateurs à électrolyte polymère sont très utilisés dans les alimentations des circuits intégrés pour les fonctions de tampon, de dérivation et de découplage, en particulier dans les appareils de conception plate ou compacte. Ils rivalisent donc avec les MLCC, mais offrent des valeurs de capacité plus élevées et, contrairement aux condensateurs céramique de classes 2 et 3, ils ne présentent aucun effet microphonique.

Pour les filtres d'entrée et de sortie des convertisseurs DC-DC, les condensateurs MLCC ont été les plus largement utilisés en raison de leur faible coût et de leurs faibles ESR et ESL. Cependant, ils ont des inconvénients, notamment :

  • Faible capacité par volume, en particulier pour les matériaux diélectriques de classe 1 (NO/COG)
  • Leurs grandes tailles de corps sont sujettes à la fissuration avec la flexion des circuits imprimés
  • Instabilité de la polarisation DC
  • Effet piézoélectrique (chant)

C'est là que les condensateurs polymères trouvent leur place. Panasonic fabrique des condensateurs en aluminium-polymère solides : SP-Caps et OS-CON, les condensateurs tantale-polymère (POS-CAP) et les technologies de condensateurs électrolytiques en aluminium hybride polymère. Ces types de condensateurs polymères ont élargi leur champ d'application. Ils ont une grande capacité et d'excellentes caractéristiques de polarisation, bien supérieures à celles des MLCC, ainsi que des caractéristiques d'ESR et d'ESL extrêmement faibles.

De plus, les condensateurs polymères atteignent une fiabilité très élevée et une performance supérieure à basse température en utilisant des matériaux polymères solides comme électrolyte.

Le circuit de la Fig. 9 ci-dessous montre quelques exemples de la façon dont différents condensateurs polymères peuvent avoir une meilleure performance que des condensateurs MLCC.

Exemple de circuit

Fig. 9 : exemple de circuit comparant les condensateurs MLCC et polymères, image via Panasonic

Acheter des condensateurs

Les différents types de condensateurs, avec un large éventail de variables de performance, peuvent être trouvés sur le site Web de Farnell.

Conclusion

Cet article a expliqué ce qu'est un condensateur, et comment une capacité pure fonctionne dans un circuit électrique. Cependant, il reconnaît également qu'il n'existe pas de condensateur pur en réalité. Par conséquent, nous avons exploré les diverses caractéristiques physiques et électriques qui constituent inévitablement une véritable composante d'un condensateur, et nous avons discuté de la vaste gamme de types de condensateurs et de leurs diverses caractéristiques disponibles aujourd'hui pour différentes applications.

Cet article a également examiné comment un type de condensateur peut parfois être remplacé par un autre, en prenant comme exemple la substitution d'un MLCC par un condensateur polymère.

Références

http://www.kemet.com/Lists/TechnicalArticles/Attachments/6/What%20is%20a%20Capacitor.pdf

http://www.capacitorguide.com

https://fr.wikipedia.org/wiki/Supercondensateur

https://radio-electronics.com/info/data/capacitor/glass-dielectric-capacitors.php

http://www.avx.com/products/ceramic-capacitors/feedthru-smd/automotive-feedthru

https://eu.industrial.panasonic.com/sites/default/pidseu/files/pan_18072_whitepaper_mlccvspolymer_web.pdf

https://fr.farnell.com/c/passive-components/capacitors?rd=capacitors

Types de condensateurs et performances, date de publication : 15 octobre 2018 par Farnell element14